一种井下环境信息的采集生成系统及方法

技术领域

本发明属于矿井信息采集技术领域，涉及一种井下环境信息的采集生成系统及方法。

背景技术

目前煤矿的监控系统新标中要求监控系统要有3d gis的功能。所谓3d gis功能主要是从3d空间的角度去展现煤矿相关设施及井下巷道图，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。

实现该功能目前主要方式是通过用户手工绘制cad文件，然后并将导入到建模软件系统中，利用cad提供的模型数据，形成完整的带坐标的地图信息，并最终将其展示给终端用户。由于煤矿在正常生产过程中，巷道和地图信息一直在变更，导致用户定期需要更新这些模型信息。若更新不及时，则无法及时了解井下的环境信息，存在潜在隐患。

发明内容

为了解决相关技术中通过用户手工绘制cad文件，然后并将导入到建模软件系统中，利用cad提供的模型数据，形成完整的带坐标的地图信息，由于煤矿在正常生产过程中，巷道和地图信息一直在变更，导致用户定期需要更新这些模型信息，若更新不及时，则无法及时了解井下的环境信息，存在潜在隐患的问题，本申请提供了一种井下环境信息的采集生成系统及方法。具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种井下环境信息的采集生成系统，包括:包括至少一个设置在井下预定位置的单光子信号发射接收设备；所述井下预定位置包括光线无法直线传播的位置；

所述单光子信号发射接收设备包括电子控制设备、脉冲激光器、发射光学元件、接收光学元件、单光子雪崩二极管；所述电子控制设备的输出端依次与所述脉冲激光器和所述发射光学元件连接，所述电子控制设备的输入端依次与所述单光子雪崩二极管和所述接收光学元件连接；

所述电子控制设备用于接收外部控制命令，控制所述脉冲激光器发射出激光脉冲，所述激光脉冲通过所述发射光学元件传播，传播的激光脉冲沿直线传播，被目标物体反射回来，反射的激光脉冲被所述接收光学元件捕获，通过所述单光子雪崩二极管探测到，传输给所述电子控制设备进行环境3D模型的的绘制。

通过布置在井道中光线无法直线传播的位置布置单光子信号发射接收设备，依靠光的反射确定目标物体的距离，结合获取的所有数据，建模绘制出环境3D模型，能够随着矿井的开采，自动更新生成井下3D巷道图的模型信息，最终形成井下的真实开采图，无需通过手动在autocad软件中绘制煤矿地图和巷道来建立模型，减少了人工的工作量，且能够及时更新模型，实现对井下物体的精确定位以及对井下挖掘巷道地图的精确绘制，提高对井下生产安全的保障，简化井下生产管理方法，对井下环境的适应性强，无需铺设通信光缆或其他类型的传输线缆，直接使用光通信，对环境影响较小，不涉及到对线缆的供电，不需要安装额外的供电装置，提高井下的安全性。

可选的，所述井下预定位置至少包括井道交叉点位置和井道拐角位置。

可选的，所述井下预定位置还包括井道尽头位置。

可选的，所述单光子信号发射接收设备根据所述发射光学元件的功率确定直线井道上相邻设备的间隔距离；所述井下预定位置还包括根据间隔距离确定的位于直线井道上的位置。

可选的，所述电子控制设备包括控制模块、图形计算接口、内存历史信号读取器、时间数字转换器；

所述控制模块与所述电子控制设备的输出端连接，所述时间数字转换器分别与所述电子控制设备的输入端和所述内存历史信号读取器连接，所述图形计算接口分别与所述控制模块和所述内存历史信号读取器连接；

所述控制模块用于接收外部控制命令，控制所述脉冲激光器发射出激光脉冲；所述图形计算接口用于外接3D建模计算软件；所述内存历史信号读取器用于读取存储的历史信号，将新接收的信号与历史信号发送给所述图形计算接口；所述时间数字转换器用于接收反射回来的激光脉冲并进行信号转换。

可选的，所述3D建模计算软件用于动态计算出当前环境的3D模型，绘制出井下的巷道地图及关注体在地图上的位置坐标。

第二方面，本申请还提供一种井下环境信息的采集生成方法，应用于如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的井下环境信息的采集生成系统中，所述井下环境信息的采集生成方法包括：

对于每个单光子信号发射接收设备，当接收到外部的控制命令时，通过电子控制设备控制脉冲激光器发射出激光脉冲，由发射光学元件传播出去；

当接收光学元件捕获到被目标物体反射回来的激光脉冲，通过所述单光子雪崩二极管探测到后传输给所述电子控制设备；

通过所述电子控制设备根据反射的激光脉冲的传播方向以及发射和接收的时间差确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置，根据已收集的数据动态绘制当前的环境3D模型。

可选的，所述通过电子控制设备控制脉冲激光器发射出激光脉冲，由发射光学元件传播出去，包括：通过所述发射光学元件向各个方向发射传播激光脉冲；

所述通过所述电子控制设备根据反射的激光脉冲的传播方向以及发射和接收的时间差确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置，包括：

通过所述接收光学元件捕获垂直入射的激光脉冲，确定垂直入射的激光脉冲的方向，根据发射和接收的时间差确定激光脉冲的传播距离，根据确定出的方向和距离确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置。

可选的，所述通过电子控制设备控制脉冲激光器发射出激光脉冲，由发射光学元件传播出去，包括：通过所述发射光学元件朝向预设的不同方向分别发射传播不同频率的激光脉冲；

所述通过所述电子控制设备根据反射的激光脉冲的传播方向以及发射和接收的时间差确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置，包括：

通过所述接收光学元件捕获反射回来的激光脉冲，根据捕获的激光脉冲的频率确定方向，根据同频率的激光脉冲的发射和接收的时间差确定激光脉冲的传播距离，根据确定出的方向和距离确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置。

可选的，所述通过电子控制设备控制脉冲激光器发射出激光脉冲，由发射光学元件传播出去，包括：通过所述电子控制设备控制所述发射光学元件向第一方向发射传播激光脉冲，当所述接收光学元件接收到反射的激光脉冲时，通过所述电子控制设备控制所述发射光学元件向转动后的第二方向发射传播激光脉冲，依次转动直至完成预设的所有方向的激光脉冲的发射；

所述通过所述电子控制设备根据反射的激光脉冲的传播方向以及发射和接收的时间差确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置，包括：

通过所述接收光学元件捕获反射回来的激光脉冲，根据接收到的激光脉冲的发射方向以及发射和接收的时间差确定激光脉冲的传播距离，根据对应的方向和计算出的距离确定目标物体相对于所述单光子信号发射接收设备的位置。

可选的，所述井下环境信息的采集生成方法还包括：

通过所述电子控制设备根据建模完整度自动控制是否继续发射激光脉冲信号。

可选的，所述井下环境信息的采集生成方法还包括：

当所述电子控制设备检测到目标物体的距离在实时变化时，将检测到的目标物体确定为活动的物体。

可选的，所述井下环境信息的采集生成方法还包括：

将各个单光子信号发射接收设备采集生成的环境3D模型衔接起来，生成完整的煤矿井下巷道模型图，上传至井上的上位机软件中展示。

本申请至少可以实现如下有益效果：

通过布置在井道中光线无法直线传播的位置布置单光子信号发射接收设备，依靠光的反射确定目标物体的距离，结合获取的所有数据，建模绘制出环境3D模型，能够随着矿井的开采，自动更新生成井下3D巷道图的模型信息，最终形成井下的真实开采图，无需通过手动在autocad软件中绘制煤矿地图和巷道来建立模型，减少了人工的工作量，且能够及时更新模型，实现对井下物体的精确定位以及对井下挖掘巷道地图的精确绘制，提高对井下生产安全的保障，简化井下生产管理方法，对井下环境的适应性强，无需铺设通信光缆或其他类型的传输线缆，直接使用光通信，对环境影响较小，不涉及到对线缆的供电，不需要安装额外的供电装置，提高井下的安全性。

另外，通过在井道尽头布置单光子信号发射接收设备，可以避免物体背后无法直接照射到单光子导致无法绘制完整地形图的问题。

另外，根据发射光学元件的功率确定间隔距离，在直线井道上按照间隔距离布置单光子信号发射接收设备，可以避免距离太远超出单个单光子信号发射接收设备的覆盖范围的问题，从而保证了绘制出的模型的完整性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的井下环境信息的采集生成系统的示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的单光子信号发射接收设备的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本申请一个实施例提供的井下环境信息的采集生成系统的示意图，本申请提供的井下环境信息的采集生成系统包括：至少一个设置在井下预定位置的单光子信号发射接收设备10；井下预定位置包括光线无法直线传播的位置。

结合参考图2，单光子信号发射接收设备10包括电子控制设备11、脉冲激光器12、发射光学元件13、接收光学元件14、单光子雪崩二极管15；电子控制设备11的输出端依次与脉冲激光器12和发射光学元件13连接，电子控制设备11的输入端依次与单光子雪崩二极管15和接收光学元件14连接。

电子控制设备11用于接收外部控制命令，控制脉冲激光器12发射出激光脉冲，激光脉冲通过发射光学元件13传播，传播的激光脉冲沿直线传播，被目标物体反射回来，反射的激光脉冲被接收光学元件14捕获，通过单光子雪崩二极管15探测到，传输给电子控制设备11进行环境3D模型的的绘制。

脉冲激光器12即VCSEL。

可选的，井下预定位置至少包括井道交叉点位置和井道拐角位置。

对于交叉点位置和拐角位置，由于光无法继续沿直线传播，因此需要布局单光子信号发射接收设备。

可选的，井下预定位置还包括井道尽头位置。

由于物体背面无法直接照射到单光子，因此在井道尽头位置布置单光子信号发射接收设备，以便采集到物体背面的信息，从而绘制出完整的地形图。

可选的，单光子信号发射接收设备10根据发射光学元件13的功率确定直线井道上相邻设备的间隔距离；井下预定位置还包括根据间隔距离确定的位于直线井道上的位置。

由于单光子信号发射接收设备10具备一定的功率，即使实在直线井道中，通常也无法传播太远，因此需要结合实际情况来确定间隔的距离。

可选的，电子控制设备11包括控制模块111、图形计算接口112、内存历史信号读取器113、时间数字转换器114。

控制模块111与电子控制设备11的输出端连接，时间数字转换器114分别与电子控制设备11的输入端和内存历史信号读取器113连接，图形计算接口112分别与控制模块111和内存历史信号读取器113连接。

在实际应用中，控制模块111可以是具备计算控制能力的芯片或设备，比如微处理单元MCU。时间数字转换器114即TDC。

控制模块111用于接收外部控制命令，控制脉冲激光器12发射出激光脉冲；图形计算接口112用于外接3D建模计算软件；内存历史信号读取器113用于读取存储的历史信号，将新接收的信号与历史信号发送给图形计算接口112；时间数字转换器114用于接收反射回来的激光脉冲并进行信号转换。

其中，3D建模计算软件用于动态计算出当前环境的3D模型，绘制出井下的巷道地图及关注体在地图上的位置坐标。

根据目标物体表面反射的不同距离绘制目标物体的形状和距离单光子信号发射接收设备10的位置，将已获取的数据存储在内存中，通过内存历史信号读取器113读取存储的历史信号，计算出单光子信号发射接收设备10周围空间的地理环境，并确定物体在环境中的坐标位置。

对于单光子信号发射接收设备10，需要具备额外的计算能力，来完成环境3D模型的绘制，一方面可以集成图形计算模块，另一方面，可以简化设备，通过图形计算接口112外接其他的3D建模计算软件，动态计算当前环境的3D模型。

本申请中的单个单光子信号发射接收设备通过单光子发射和接收装置，根据单光子发射到物体表面后反射回来的时间计算出物体表面与本设备的距离，最终形成该物体的形状模型，对多个单光子信号发射接收设备采集的信号进行整合，形成完整的井下物理环境信息模型。

综上所述，本申请提供的井下环境信息的采集生成系统，通过布置在井道中光线无法直线传播的位置布置单光子信号发射接收设备，依靠光的反射确定目标物体的距离，结合获取的所有数据，建模绘制出环境3D模型，能够随着矿井的开采，自动更新生成井下3D巷道图的模型信息，最终形成井下的真实开采图，无需通过手动在autocad软件中绘制煤矿地图和巷道来建立模型，减少了人工的工作量，且能够及时更新模型，实现对井下物体的精确定位以及对井下挖掘巷道地图的精确绘制，提高对井下生产安全的保障，简化井下生产管理方法，对井下环境的适应性强，无需铺设通信光缆或其他类型的传输线缆，直接使用光通信，对环境影响较小，不涉及到对线缆的供电，不需要安装额外的供电装置，提高井下的安全性。

另外，通过在井道尽头布置单光子信号发射接收设备，可以避免物体背后无法直接照射到单光子导致无法绘制完整地形图的问题。

另外，根据发射光学元件的功率确定间隔距离，在直线井道上按照间隔距离布置单光子信号发射接收设备，可以避免距离太远超出单个单光子信号发射接收设备的覆盖范围的问题，从而保证了绘制出的模型的完整性。

本申请还提供一种井下环境信息的采集生成方法，应用于如图1和图2所示的井下环境信息的采集生成系统中，本申请提供的井下环境信息的采集生成方法包括以下步骤。

第一步，对于每个单光子信号发射接收设备，当接收到外部的控制命令时，通过电子控制设备控制脉冲激光器发射出激光脉冲，由发射光学元件传播出去。

第二步，当接收光学元件捕获到被目标物体反射回来的激光脉冲，通过单光子雪崩二极管探测到后传输给电子控制设备。

对于目标物体的位置确定，光的传播速度已知，根据激光脉冲发射和被目标物体反射回来被接收到的时间，可以计算出一个来回的距离，从而确定目标物体与单光子信号发射接收设备的距离，本申请提供了三种可能的实现方式。

在第一种可能的实现方式中，通过发射光学元件向各个方向发射传播激光脉冲；通过接收光学元件捕获垂直入射的激光脉冲，确定垂直入射的激光脉冲的方向，根据发射和接收的时间差确定激光脉冲的传播距离，根据确定出的方向和距离确定目标物体相对于单光子信号发射接收设备的位置。这里的发射光学元件类似于灯泡光源，向各个方向发射光信号，捕获垂直入射的激光脉冲是为了避免其他物体表面反射的光斜射过来被捕获，产生干扰导致距离计算不准确。

在第二种可能的实现方式中，通过发射光学元件朝向预设的不同方向分别发射传播不同频率的激光脉冲；通过接收光学元件捕获反射回来的激光脉冲，根据捕获的激光脉冲的频率确定方向，根据同频率的激光脉冲的发射和接收的时间差确定激光脉冲的传播距离，根据确定出的方向和距离确定目标物体相对于单光子信号发射接收设备的位置。通过设置多个朝向不同方向的发射装置，由于预设了不同的频率，在同时发射光信号的情况下，根据捕获到的频率不同也可以计算出对应的物体距离。

在第三种可能的实现方式中，通过电子控制设备控制发射光学元件向第一方向发射传播激光脉冲，当接收光学元件接收到反射的激光脉冲时，通过电子控制设备控制发射光学元件向转动后的第二方向发射传播激光脉冲，依次转动直至完成预设的所有方向的激光脉冲的发射；通过接收光学元件捕获反射回来的激光脉冲，根据接收到的激光脉冲的发射方向以及发射和接收的时间差确定激光脉冲的传播距离，根据对应的方向和计算出的距离确定目标物体相对于单光子信号发射接收设备的位置。通过单个发射装置不断的发射-接收-旋转，依次捕获不同方向的光信号，确定对应方向上的物体的距离。

第三步，通过电子控制设备根据反射的激光脉冲的传播方向以及发射和接收的时间差确定目标物体相对于单光子信号发射接收设备的位置，根据已收集的数据动态绘制当前的环境3D模型。

在实际应用中，本申请提供的井下环境信息的采集生成方法还包括：通过电子控制设备根据建模完整度自动控制是否继续发射激光脉冲信号。

本申请提供的井下环境信息的采集生成方法还可以区分固定的地形和活动的物体，识别特定活动的物体特征，比如人员或装备，当电子控制设备检测到目标物体的距离在实时变化时，将检测到的目标物体确定为活动的物体。比如人员在走动，距离单光子信号发射接收设备的距离在变化，装备在换地点作业时会移动位置，则单光子信号发射接收设备在不同时间采集的数据会有差异，从而确定为活动的物体，另外，由于单光子信号发射接收设备可以识别出物体表面的形状，根据采集生成的物体表面图形，通过3D建模后根据特殊的图像识别软件可以识别出是否是人员等特定物体，在展示时可以标记出来。

一个井下环境信息的采集生成系统包含多个单光子信号发射接收设备时，需要将各个设备生成的模型汇总整合，将各个单光子信号发射接收设备采集生成的环境3D模型衔接起来，生成完整的煤矿井下巷道模型图，上传至井上的上位机软件中展示。

本申请中的每个单光子信号发射接收设备通过发射光信号，并接收反射信号来自动生成附近的3D环境模型，通过传输介质将所有单光子信号发射接收设备所创建的模型无缝衔接起来，最终生成完成的煤矿井下巷道模型图，上传至井上的上位机软件中显示给用户，用户可以查看到当前井下的巷道环境，进一步进行管理控制。

对于井下巷道的变化更新，可以通过单光子信号发射接收设备的定时采集生成最新的3D模型，也可以通过上位机发送更新信号，触发单光子信号发射接收设备进行采集更新。

进一步的，由于各个设备之间能够通过传输介质连接，则还可以通过一个设备发送光信号，另一个设备接收光信号，来确定出两个设备之间的相对位置，从而便于3D环境模型的汇总整合。

在实际应用中，不对地形和物体进行具体区分，客观绘制出井下的3D环境模型，若目标物体不是活动物体或不是具有特定特征的物体，则可以认为是地形的一种。

综上所述，本申请提供的井下环境信息的采集生成方法，通过布置在井道中光线无法直线传播的位置布置单光子信号发射接收设备，依靠光的反射确定目标物体的距离，结合获取的所有数据，建模绘制出环境3D模型，能够随着矿井的开采，自动更新生成井下3D巷道图的模型信息，最终形成井下的真实开采图，无需通过手动在autocad软件中绘制煤矿地图和巷道来建立模型，减少了人工的工作量，且能够及时更新模型，实现对井下物体的精确定位以及对井下挖掘巷道地图的精确绘制，提高对井下生产安全的保障，简化井下生产管理方法，对井下环境的适应性强，无需铺设通信光缆或其他类型的传输线缆，直接使用光通信，对环境影响较小，不涉及到对线缆的供电，不需要安装额外的供电装置，提高井下的安全性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。